CN106300375A - 一种新型的d-statcom电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的D-STATCOM电压控制方法，属于配电网静止同步补偿器控制技术领域。其特征在于：D-STATCOM电压控制系统采用双闭环控制结构。对于电压外环，公共连接点电压反馈值U_pcc与其给定值做比较，产生的差值经非线性PI调节器后形成无功电流指令值；直流侧电容电压反馈值U_dc与其给定值做比较，产生的差值经非线性PI调节器后形成有功电流指令值。而无功电流指令值和有功电流指令值则作为电流内环的输入。对于电流内环控制，采用前馈解耦控制方法，对耦合的无功电流和有功电流进行解耦，控制器采用PI调节器用以对无功电流和有功电流的跟踪控制。本发明的优点在于利用非线性PI的快速性和稳定性以及前馈解耦实现的无功电流和有功电流的独立控制，更好的达到电压外环要实现的维持公共连接点电压和直流侧电容电压恒定目的。

Description

一种新型的D-STATCOM电压控制方法

一、技术领域

本发明涉及一种新型的D-STATCOM电压控制方法，属于配电网静止同步补偿器控制技术领域。

二、背景技术

目前，大型电动机、冲击性负荷、电弧炉、电源、系统短路电流等都对配电网造成电压偏差、电压波动与闪变等电能质量问题。同时，随着电力电子技术的发展，光伏发电、风力发电、燃料电池、微型燃气轮机等越来越多的分布式电源被接入到电网或者被直接安装在用户近旁。然而，由于太阳能、风能等外界自然能源的随机波动性和间歇性，因此造成了分布式电源输出功率的波动，从而也引起了配电网电压偏差、电压波动与闪变等电能质量问题。电压质量问题日益严重，这使得配电网运行的安全性、稳定和经济性受到了很大的影响。配电网静止同步补偿器(D-STATCOM)具有补偿时间快、可连续补偿、不产生谐振、精准控制电压、具有自适应功能等优点，是一种解决电压偏差、电压波动与闪变有效途径，其电压控制方法也成为了研究的热点。然而，D-STATCOM系统数学模型的强耦合和非线性特性，使得系统的快速性、稳定性以及准确性不是很理想。

三、发明内容

鉴于现在技术存在上述不足，本发明的目的在于提供一种新型的D-STATCOM电压控制方法，在非线性PI的快速性和稳定性以及前馈解耦能够实现无功电流和有功电流的独立控制的作用下，能够更好的达到电压外环要实现的维持公共连接点电压和直流侧电容电压恒定目的。

本发明的技术方案如下：

D-STATCOM电压控制系统采用双闭环控制结构。对于电压外环，公共连接点电压反馈值U_pcc与其给定值做比较，产生的差值经非线性PI调节器后形成无功电流指令值直流侧电容电压反馈值U_dc与其给定值做比较，产生的差值经非线性PI调节器后形成有功电流指令值而无功电流指令值和有功电流指令值则作为电流内环的输入。对于电流内环控制，采用前馈解耦控制方法，对耦合的无功电流和有功电流进行解耦，控制器采用PI调节器用以对无功电流和有功电流的跟踪控制。

本发明的优点如下：

本发明涉及的电压控制方法，电压外环采用的非线性PI，利用非线性微分-跟踪器和非 线性组合方式构成非线性PI控制器来改进经典PI控制器，提高了其适应性和鲁棒性。电流内环采用的前馈解耦控制策略，可以有效的解决有功和无功控制通道存在的耦合现象，利于无功电流和有功电流的独立控制。该电压控制方法使得控制系统的响应速度、补偿性能以及稳定性有了大幅度的提高，更好的达到电压外环要实现的维持公共连接点电压和直流侧电容电压恒定目的。

四、附图说明

图 1为所述的D-STATCOM接入系统的单相等效电路图。

图 2为所述的新型D-STATCOM电压控制原理图。

图 3为所述的非线性PI控制器框图。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图 1所示，D-STATCOM接入系统的单相等效电路。R、L分别为连接电抗器的等效电阻和电感，C为直流电容，公共连接点电压用U_pcc表示，公共连接点三相电压瞬时值为u_a、u_b、u_c。D-STATCOM逆变器输出电压为e_a、e_b、e_c，输出电流为i_a、i_b、i_c。假设三相电网电压平衡，在只考虑基波成分的条件下，建立同步坐标系中D-STATCOM的数学模型。在三相(a，b，c)静止坐标系中，根据基尔霍夫电压定律建立D-STATCOM的动态方程，有

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{d{i}_a}{\mathrm{dt}}=-R{i}_a+e_a-u_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}=-R{i}_b+e_b-u_b\\ L\frac{d{i}_c}{\mathrm{dt}}=-R{i}_c+e_c-u_c\end{array}\right.$

经d-q变换，可得

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{d{i}_d}{\mathrm{dt}}=-R{i}_d+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q+e_d-u_d\\ L\frac{d{i}_q}{\mathrm{dt}}=-R{i}_q-\mathrm{\ωL}{i}_d+e_q-u_q\end{array}\right.$

式中，u_d、u_q为公共连接点三相电压u_a、u_b、u_c经d-q变换所得的d、q分量，e_d、e_q为D-STATCOM逆变器输出电压e_a、e_b、e_c经d-q变换所得的d、q分量，i_d、i_q为逆变器输出电流i_a、i_b、i_c经d-q变换所得的d、q分量。派克变换矩阵为

$T=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ωt}& \cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\\ \sin \mathrm{\ωt}& \sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& \sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]$

其中，ω为电网电压角频率。

由上式可以看出，D-STATCOM系统中d-q轴电流不独立，存在交叉耦合现象。

在同步旋转坐标系下，将上述方程调整后写成矩阵形式的状态方程为

$\left[\begin{array}{c}{e}_d\\ e_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& -\mathrm{\ωL}\\ \mathrm{\ωL}& R\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\left(t\right)\\ i_q\left(t\right)\end{array}\right]+L\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_d\left(t\right)\\ i_q\left(t\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]$

当采用前馈解耦控制策略时，电流调节器为PI，则e_d、e_q的控制方程为

$e_d=-(K_P+\frac{K_I}{s})(i_d^{*}-i_d)+\mathrm{\ωL}{i}_q+u_d$ $e_q=-(K_P+\frac{K_I}{s})(i_q^{*}-i_d)+\mathrm{\ωL}{i}_d+u_q$

如图 2所示，新型D-STATCOM电压控制原理图。D-STATCOM电压控制系统采用双闭环控制结构。对于电压外环，公共连接点电压反馈值U_pcc与其给定值做比较，产生的差值经非线性PI调节器后形成无功电流指令值直流侧电容电压反馈值U_dc与其给定值做比较，产生的差值经非线性PI调节器后形成有功电流指令值而无功电流指令值和有功电流指令值则作为电流内环的输入。逆变器输出交流电流i_a、i_b、i_c经d-q变换所得的直流分量分别为i_d、i_q。公共连接点三相电压u_a、u_b、u_c经d-q变换所得的直流分量分别为u_d、u_q。对于电流内环，有功电流指令值与i_d做比较，产生的差值经PI调节后与u_d以及i_q的耦合值做比较得到e_d；无功电流指令值与i_q做比较，产生的差值经PI调节后与u_q以及i_d的耦合值做比较得到e_q。e_d、e_q经过dq/abc变换后的信号经过PWM波产生电路，生成3对互补的6路PWM信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6。

如图 3所示，非线性PI控制器框图。给定信号r(t)和实际输出信号y(t)比较的控制偏差e(t)，经过比例、积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。控制规律为

$u\left(t\right)=K_{P}e\left(t\right)+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}$

对于比例系数K_p和积分系数K_i则为关于控制偏差e(t)的非线性函数，比例系数K_p、积分系数K_i分别为

$\left\{\begin{array}{c}{K}_p\left(e\left(t\right)\right)=K_{p1}+K_{p2}(1-\mathrm{sech}(K_{p3}\·e\left(t\right)))\\ K_i\left(e\left(t\right)\right)=K_{i1}\·\mathrm{sech}(K_{i2}\·e\left(t\right))\end{array}\right.$ 。

Claims (2)

1.本发明涉及的新型D-STATCOM电压控制方法，其结构为：-STATCOM电压控制系统采用双闭环控制结构。对于电压外环，公共连接点电压反馈值U_pcc与其给定值做比较，产生的差值经非线性PI调节器后形成无功电流指令值直流侧电容电压反馈值U_dc与其给定值做比较，产生的差值经非线性PI调节器后形成有功电流指令值而无功电流指令值和有功电流指令值则作为电流内环的输入。对于电流内环控制，采用前馈解耦控制方法，对耦合的无功电流和有功电流进行解耦，控制器采用PI调节器用以对无功电流和有功电流的跟踪控制。

2.根据权利要求1所述的新型D-STATCOM电压控制方法，其特征在于：所述的新型D-STATCOM电压控制方法，在电压外环控制中，采用非线性PI作为电压控制器控制公共连接点电压和直流侧电容电压，使控制系统的快速性、稳定性以及准确性得以大幅度提高。